技术领域
[0001] 本
发明涉及一种含移动副的可锁定
机器人关节。
背景技术
[0002] 现有
专利WO2017144310所公开的可锁定机器人关节，包括提供动
力的主/从动
齿轮、驱动
电机、
传感器部件、实现运动传递的同步
齿形带以及保障关节结构安全的安全销。其中，
驱动电机驱动主动齿轮通过同步齿形带将驱动转矩传递到从动齿轮，
角度传感器部件用以测量齿形带包角，调整齿形带包角大小可以实现传动关节的锁定或解锁，安全销是为防止关节负载过大引起关节结构的破坏。其不足是，由于单一的可锁定
转轴设计，该类可锁定机器人关节仅仅满足于SCARA等
串联式机器人中独立
转动关节的应用需求，不利于在
并联机器人的运动关节设计中推广应用，同时由于采用齿形带传动并借此实现关节锁定，使得关节锁定机构所占空间较大，难以满足机器人对关节设计的轻量化和小型化需求。
[0003] 现有专利CN104802183和CN103341864所公开的可锁定机器人关节，包括实现运动传递与输出的驱动电机、关节减速器、
联轴器和实现机器人关节锁定功能的
蜗杆、蜗轮组件。其中，驱动电机通过关节减速器将运动力矩传递到与联轴器相连接的蜗杆部件，进而驱动蜗轮将动力输出，相反地，在不加电机驱动的情况下外负载无法带动蜗杆转动，从而实现关节的锁定功能。其不足是，由于该类机器人关节面向串联型机器人的独立转轴设计，无法应用于并联机器人设计中广泛应用的二
自由度虎克铰、三自由度球铰等多自由度复合
铰链，且
蜗轮蜗杆传动形式的锁定结构仅能实现单向运动自锁，没能实现真正意义上关节运动的全方向锁定。
发明内容
[0004] 鉴于
现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种含移动副的可锁定机器人关节，不仅结构简单，而且便捷高效。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种含移动副的可锁定机器人关节，包括
基座，基座的两相对侧连接有横轴，基座的另外两相对侧经纵轴连接有U形铰支座，U形铰支座的上方连接有竖轴，横轴上套设有底部设有滑
块的活动座体；竖轴与U形铰支座之间设有第一锁定机构，横轴与基座、活动座体之间设有第二锁定机构；第一锁定机构包括位于U形铰支座顶部的竖向
花键孔，竖向花键孔顶部的竖轴上设有竖向内花键，竖向花键孔中设有竖向外花键轴，竖向外花键轴上
啮合有设内花键的竖向滑动外花键套环；第二锁定机构包括设于基座上的横向内花键，活动座体上设有横向花键孔，横轴上设有横向外花键，横向外花键上啮合有设内花键的横向滑动外花键套环；竖轴的外周部固设有用于连接机器人关节的连接
法兰。
[0006] 优选的，所述基座的内部横向设有连接孔，所述横轴内端通过
滚动轴承与基座的连接孔相连进行转动，所述横向外花键与横向滑动外花键套环的内花键齿圈啮合并横向滑动连接，所述横向滑动外花键套环在电磁驱动和控制组件的作用下沿着横轴上的横向外花键滑移运动。
[0007] 优选的，所述竖向外花键轴上端通过
滚动轴承与连接法兰相连，所述竖向外花键轴下端与竖向滑动外花键套环的内花键齿圈啮合并竖向滑动连接，所述竖向滑动外花键套环可在电磁驱动和控制组件的作用下沿着竖向外花键轴滑移运动。
[0008] 优选的，所述横向花键孔、横向内花键、横轴、横向滑动外花键套环同轴设置，所述横向花键孔的内花键齿圈与横向滑动外花键套环的外花键齿圈啮合并横向滑动连接，所述横轴的内部同轴设有安装通孔，所述连接孔内同轴设有
丝杆螺母，所述丝杆螺母上螺接有丝杆，所述丝杆的两端经安装通孔穿出。
[0009] 优选的，所述横向内花键设于连接孔的孔口，所述连接孔与横向花键孔同轴。
[0010] 优选的，所述横轴由左横轴与右横轴组成，所述左横轴与基座、活动座体之间设有第二锁定机构，所述右横轴与基座、活动座体之间设有第二锁定机构。
[0011] 优选的，所述活动座体的形状为U形，所述基座位于活动座体的内部，所述横向花键孔对称位于活动座体的两侧并与横向内花键同轴，所述活动座体与底部的滑块形成移动副。
[0012] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：横轴、纵轴、竖轴相互交叉布置并集成移动副，形成多自由度复合运动关节，具有机械结构紧密、运动关节集成度高、运动
精度高、结构承载能力大的优点；轴可以在其各自的电磁驱动和控制组件的驱动与控制下单独实现转轴的全向锁定与解锁；轴的锁定与解锁采用电磁驱动形式，使得各个可锁定轴的结构更加紧凑、锁定与解锁运动响应迅速、转换运动更加高效，有利于机器人关节的小型化和轻量化设计。
[0013] 下面结合
附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
附图说明
[0015] 图2为图1的A-A剖视图。
[0016] 图3为竖轴的解锁示意图。
[0017] 图4为竖轴的锁定示意图。
[0018] 图5为竖轴锁定、横轴锁定的示意图。
[0019] 图6为竖轴解锁、横轴锁定的示意图。
[0020] 图7为竖轴解锁、横轴解锁的示意图。
[0021] 图8为基座的构造示意图。
[0022] 图9为活动座体的构造示意图。
[0023] 图10为U形铰支座的构造示意图。
[0024] 图11为电磁驱动和控制组件的构造示意图。
[0025] 图12为本发明实施例的使用示意图一。
[0026] 图13为本发明实施例的使用示意图二。
具体实施方式
[0027] 为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
[0028] 如图1 13所示，一种含移动副的可锁定机器人关节，包括基座1，基座的两相对侧~连接有横轴2，基座的另外两相对侧经纵轴3连接有U形铰支座4，U形铰支座的上方连接有竖轴5，横轴上套设有底部设有滑块19的活动座体6；竖轴与U形铰支座之间设有第一锁定机构，横轴与基座、活动座体之间设有第二锁定机构；第一锁定机构包括位于U形铰支座顶部的竖向花键孔7，竖向花键孔顶部的竖轴上设有竖向内花键8，竖向花键孔中设有竖向外花键轴9，竖向外花键轴上啮合有设内花键的竖向滑动外花键套环10；第二锁定机构包括设于基座上的横向内花键11，活动座体上设有横向花键孔12，横轴上设有横向外花键13，横向外花键上啮合有设内花键的横向滑动外花键套环14；竖轴的外周部固设有用于连接机器人关节的连接法兰15。
[0029] 在本发明实施例中，所述基座的内部横向设有连接孔16，所述横轴内端通过滚动轴承17与基座的连接孔相连进行转动，所述横向外花键与横向滑动外花键套环的内花键齿圈啮合并横向滑动连接，所述横向滑动外花键套环在电磁驱动和控制组件18的作用下沿着横轴上的横向外花键滑移运动；所述横向滑动外花键套环可在前述滑移运动过程中使横轴上的横向外花键和基座的横向内花键处于啮合或脱离状态，进而实现所述横轴的锁定或解锁。
[0030] 在本发明实施例中，所述竖向外花键轴上端通过滚动轴承与连接法兰相连，所述竖向外花键轴下端与竖向滑动外花键套环的内花键齿圈啮合并竖向滑动连接，所述竖向滑动外花键套环可在电磁驱动和控制组件的作用下沿着竖向外花键轴滑移运动；所述竖向滑动外花键套环可在前述滑移运动过程中使竖向外花键轴和竖向内花键处于接合或脱离状态，进而实现所述竖轴的可锁定轴的锁定或解锁。
[0031] 在本发明实施例中，所述横向滑动外花键套环与竖向滑动外花键套环具有内外花键，横向外花键与横向滑动外花键套环的内花键齿圈啮合并横向滑动连接，竖向外花键轴下端与竖向滑动外花键套环的内花键齿圈啮合并竖向滑动连接，所述横向滑动外花键套环与竖向滑动外花键套环均含有
永磁体部件，配合及连接花键均采用标准花键齿型，并符合国家标准GB/T3478.1-1995。
[0032] 在本发明实施例中，可锁定的轴都在其各自的电磁驱动和控制组件驱动与控制下单独实现转轴的锁定或解锁，所述电磁驱动和控制组件除具有前述对运动部件横向滑动外花键套环与竖向滑动外花键套环的运动控制功能之外，也集成了花键轴转角传感器的功能，即当所述电磁驱动和控制组件中集成的转角传感器检测到所述横向滑动外花键套环与竖向滑动外花键套环和其对应横向内花键与竖向内花键上的花键齿错落对齐时，才会允许电磁驱动和控制组件驱动横向滑动外花键套环与竖向滑动外花键套环，进行可锁定轴的锁定或解锁运动。
[0033] 在本发明实施例中，所述横向花键孔、横向内花键、横轴、横向滑动外花键套环同轴设置，所述横向花键孔的内花键齿圈与横向滑动外花键套环的外花键齿圈啮合并横向滑动连接，所述横轴的内部同轴设有安装通孔20，所述连接孔内同轴设有丝杆螺母21，所述丝杆螺母上螺接有丝杆22，所述丝杆的两端经安装通孔穿出。
[0034] 在本发明实施例中，所述横向内花键设于连接孔的孔口，所述连接孔与横向花键孔同轴，横向花键孔位于横向内花键的旁侧，所述横轴的外端部同轴穿过横向花键孔。
[0035] 在本发明实施例中，所述横轴由左横轴23与右横轴24组成，所述左横轴与基座、活动座体之间设有第二锁定机构，所述右横轴与基座、活动座体之间设有第二锁定机构。
[0036] 在本发明实施例中，所述活动座体的形状为U形，所述基座位于活动座体的内部，所述横向花键孔对称位于活动座体的两侧并与横向内花键同轴，所述活动座体与底部的滑块形成移动副。
[0037] 在本发明实施例中，如图3所示，所述竖轴的转轴锁定/解锁工作模式可描述为：所述电磁驱动和控制组件中集成的转角传感器检测到所述竖向滑动外花键套环和其对应竖向外花键轴上的花键齿错落对齐时，通过所述电磁驱动和控制组件中的驱动部件驱动竖向滑动外花键套环沿着竖向外花键轴向下移动，使得所述竖向滑动外花键套环与竖向内花键脱离
接触，而所述竖向滑动外花键套环仅仅与所述竖向外花键轴保持接触，此时所述竖轴可以以竖向外花键轴为转动轴自由转动，即所述竖轴处于解锁状态，具有一个转动自由度；如图4，同样在所述电磁驱动和控制组件中集成的转角传感器检测到所述竖向滑动外花键套环和其对应竖向内花键上的花键齿错落对齐的情况下，可以通过所述电磁驱动和控制组件中的驱动部件驱动竖向滑动外花键套环沿着竖向外花键轴向上移动，使得所述竖向滑动外花键套环与竖向内花键接触，同时所述竖向滑动外花键套环与竖向外花键轴保持接触，此时所述竖轴不能绕竖向外花键轴转动，即所述竖轴处于锁定状态，不具有转动自由度；所述纵轴与基座之间也可以设置结构、原理与第二锁定机构相同的锁定结构，实现纵轴的锁定与解锁，即可保持机器人运动关节绕相应转轴的运动，实现关节转动运动的锁定与
位姿的保持。
[0038] 在本发明实施例中，如图5所示，所述电磁驱动和控制组件驱动横向滑动外花键套环向内滑动，锁定所述横轴，所述电磁驱动和控制组件驱动竖向滑动外花键套环向上滑动，锁定所述竖轴，纵轴旋转，所述活动座体由丝杆驱动做直线运动，实现具有一自由度转动和一自由度移
动能力的机器人关节；如图6所示，所述电磁驱动和控制组件驱动横向滑动外花键套环向内滑动，锁定所述横轴，所述电磁驱动和控制组件驱动竖向滑动外花键套环向下滑动，解锁所述竖轴，同时纵轴旋转，所述活动座体由丝杆驱动做直线运动，实现具有二自由度转动和一自由度移动能力的机器人关节；如图7所示，所述电磁驱动和控制组件驱动横向滑动外花键套环向外滑动，解锁所述横轴，所述电磁驱动和控制组件驱动竖向滑动外花键套环向下滑动，解锁所述竖轴，同时纵轴旋转，所述活动座体由丝杆驱动做直线运动，实现具有三自由度转动和一自由度移动能力的机器人关节。
[0039] 在本发明实施例中，所述第一锁定机构和第二锁定机构均包括电磁驱动和控制组件，如图11所示，所述电磁驱动和控制组件具体包括：安装基体30、转角传感器31、
电池组件32、控制
电路33以及主动电磁作用器34，所述安装基体用于安置转角传感器和控制电路，并承载主动电磁作用器的作用力，所述电池组件为转角传感器、控制电路和主动电磁作用器提供电源，并可改为由机器人关节电源统一供电，当控制电路控制主动电磁作用器与安装于滑动外花键套环内的永磁体部件产生
磁性相同磁极，即可驱使滑动外花键套环远离电磁驱动和控制组件，当控制电路控制主动电磁作用器与安装于滑动外花键套环内的永磁体部件产生磁性相反磁极，即可驱使滑动外花键套环接近电磁驱动和控制组件，控制电路为现有技术，此处不再阐述。
[0040] 在本发明实施例中，如图12所示，该含移动副的可锁定机器人关节可与支链体25、运动关节组件26相连，所述支链体包括滑动
导轨27、丝杆和驱动电机28，所述运动关节组件可以为转动副、虎克铰或三轴转动的球铰。所述运动关节组件通过滑动导轨与支链体连接，所述含移动副的可锁定机器人关节通过滑块与支链体连接，并且由丝杆结合丝杆螺母在驱动电机的驱动下实现移动副的直线运动。该含移动副的可锁定机器人关节和运动关节组件可分别连接机器人的动平台和静平台，该连接方式亦可为含移动副的可锁定机器人关节和运动关节组件分别连接机器人的静平台和动平台。
[0041] 在本发明实施例中，如图13所示，该含移动副的可锁定机器人关节可与支链体25、运动关节组件26、
连杆29相连，所述支链体包括滑动导轨27、丝杆和驱动电机28，所述运动关节组件可以为转动副、虎克铰或三轴转动的球铰。所述运动关节组件通过连杆与竖轴连接，所述含移动副的可锁定机器人关节通过滑块与支链体连接，并且由丝杆结合丝杆螺母在驱动电机的驱动下实现移动副的直线运动。所述含移动副的可锁定机器人关节和运动关节组件可分别连接机器人的动平台和静平台，该连接方式亦可为含移动副的可锁定机器人关节和运动关节组件分别连接机器人的静平台和动平台。
[0042] 本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的含移动副的可锁定机器人关节。凡依本发明
申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
